投资界首发|安思疆科技获A+轮融资，发布国内首款可量产消费级3DLidar产品( 二 )
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连续波调试iToF示意图 [1]
脉冲波调试iToF示意图[2]
在iToF技术中 ， 系统的测距精度与调制光波的相位差解析精度成正比 ， 系统的测距范围与调制光波的频率成反比 。 频率越低 ， 虽然测距范围增大了 ， 但会带来相位差的解析精度下降 ， 进而测距精度随之下降 ， 因此iToF的测距精度随距离增加而下降 。 在一些产品中 ， 为了平衡这一矛盾 ， 采用了双频或者多频的技术 ， 即在不同距离采取不同的调制频率 ， 不过这就增加了系统复杂度 ， 而且当场景中存在深度跨度比较大的情况下 ， 仍然会出现问题 。 而dToF由于技术原理不同 ， 则天然不存在此问题 。
iToF距离与测距精度的矛盾关系
此外 ， iToF技术中的相位差本质上是通过iToFCMOS sensor所采集不同时间窗口的接收光能量比值关系得到的 ， 因此属于传统的光子能量积分的信号采集方式 ， 在像素的曝光时间内不断收集接收光子的能量 ， 而不去区分具体光子到达的时间 ， 也就无法区分光子的具体飞行路径所对应的飞行时间 ， 则会存在多径干扰问题 。 同理 ， 在物体边缘所对应的成像像素区域 ， 会同时接收前景和背景反射回来的光线 ， 所收集的光子能量叠加在一起 ， 进而去解算一个平均的相位差 ， 得到的是平均ToF值 。 因此 ， 从技术原理上iToF一定会存在物体轮廓不清、棱角形状失真、无法区分相邻两物体等问题 ， 为了缓解这类问题 ， 需要对初始深度做比较重的后处理算法 ， 但会增加AP负担 ， 且可能影响实时性 。
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多径干扰：理想情况是按照蓝色路径进行测距 ， 但是墙面等物体的反射光也会传播到目标物上再经过反射回到相机（红色光路） ， 且实际会存在多条路径
多径干扰（Multi-Path）是iToF存在的严重的问题之一 ， 这一问题目前很难缓解 ， 会导致比如深度错误 ， 直角变圆角 ， 镜像等问题 。 而dToF受益于其测量原理 ， 则没有这一担忧 ， 非理想路径的其他路径能够很容易地被滤除 。
基于高偏置SPAD的dToF技术
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SPAD工作原理及光电特性[1]
dToF技术则实现了对飞行时间Δt的直接测量 ， 采用脉冲信号方式 ， sensor内部的每一个像素都直接测量达到光子的往返时间 ， 具有灵敏度高的优点 ， 避开了测量往返信号的相位差所引入的各种问题 ， 并且不存在光电子积累的过程 ， 其测量精度受光噪声的影响比较小 ， 较低的信噪比要求有利于系统功耗的下降 。 dToF系统需要一个高速的光电探测器和高精度的时间数字转换电路 ， 即SPAD+TDC的组合 ， 其中SPAD是单光子雪崩二极管Single Photon Avalanche Diode,这是一种能够在ps（10-12s）级的时间内对微弱光信号产生强响应的器件 ， 其原理是高偏置 ， 深势阱的结构可诱发单光子产生雪崩电流 ， 这也是为什么自动驾驶中的Lidar系统必须使用雪崩二极管来探测远距离反射回来的光信号 ， 而一般CMOS sensor是很难做到的 。 TDC是时间数字转换器Time Digital Converter ， 类似于日常生活中的秒表 ， 能够记录光子每次‘折返跑’的时间 。
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dToF系统示意图
dToF激光发射端采用极窄脉冲调制方式 ， 单个发光脉宽可达数百皮秒级别 ， 占空比可低至0.1% ， 因此发射端的平均功耗比iToF低很多 。 发射端通过高速信号连接与接收端的TDC进行精准时间同步 ， 发射光经过前方目标折返后 ， 处于接收端的SPAD sensor能对光信号进行ps级的超高速光电转换 ， 产生脉冲电流 ， 这一脉冲电流会将计时‘掐断’ ， 此时TDC即可直接得到光信号的飞行时间Δt 。 由于是直接对飞行时间进行测量 ， 不存在解析相位差精度与频率的反比关系问题 ， 因此dToF在信噪比能保证的情况下精度不随距离增加而下降 。
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